基于机械-化学方法的微纳制造技术

    本书提出了一种新的微纳结构制造方法。 

    随着电子器件越来越小型化，如何方便、可控地在单晶硅表面设计和构筑具有特定功能和特性的跨尺度微纳复合结构一直是当今微纳制造领域中的热点和难点问题。本书针对该问题，提出“基于机械-化学方法的硅表面功能性微纳结构制造新方法”这一前沿性课题。全书共6章，叙述应用机械-化学方法在硅表面制造功能性微纳结构的全过程及其表征与分析，并对后期的应用进行系统的研究。

史立秋，佳木斯大学专职教师，副教授，哈尔滨工业大学博士研究生；中国机械工程学会高级会员，中国微米纳米技术学会高级会员。

第1章绪论1
1.1纳米技术的提出和微纳制造 1
1.2硅表面微纳结构加工技术2
1.2.1“自上而下”的刻蚀技术2
1.2.2“自下而上”的自组装方法4
1.3基于机械化学方法的微纳结构制造技术的研究现状6
1.3.1硅表面可控自组装微纳结构制造技术6
1.3.2硅表面自组装微纳结构的模拟计算10
1.4本书的主要研究内容12
参考文献13
第2章硅表面可控自组装微纳结构的理论研究19
2.1引言19
2.2硅表面可控自组装微纳结构反应机理分析19
2.3量子化学模拟的理论基础20
2.3.1局域密度近似和广义梯度近似22
2.3.2赝势23
2.4模型的建立和计算方法24
2.4.1建立模型24
2.4.2计算方法27
2.5计算结果和讨论28
2.5.1键角和键长28
2.5.2晶面能量31
2.5.3化学键布居33
2.6本章小结33
参考文献34
第3章微加工系统的建立及微加工工艺研究35
3.1引言35
3.2微加工系统的建立35
3.2.1微加工系统的原理35
3.2.2微加工系统的介绍37
3.3微结构加工工艺研究38
3.3.1刀具的选取38
3.3.2微结构加工的主要步骤42
3.3.3加工过程中刻划力的影响43
3.3.4典型微结构的加工46
3.4本章小结47
参考文献48
第4章硅表面可控自组装微纳结构的实验研究49
4.1引言49
4.2实验材料和设备49
4.3硅表面可控自组装微纳结构的制造51
4.3.1硅片的预处理51
4.3.2芳香烃重氮盐溶液的配制52
4.3.3实验步骤52
4.4可控自组装微纳结构的检测53
4.4.1微观形貌的表征53
4.4.2组成元素的分析56
4.4.3结构和成键类型的分析59
4.5本章小结64
参考文献64
第5章自组装微纳结构的摩擦与黏附性能研究66
5.1引言66
5.2自组装结构摩擦性能的研究66
5.2.1基于AFM建立摩擦性能测试系统66
5.2.2AFM检测摩擦性能的原理68
5.2.3摩擦性能的测量结果及分析68
5.2.4纳米摩擦性能的影响因素分析71
5.3自组装结构黏附性能的检测73
5.3.1自组装结构的水接触角测量73
5.3.2力曲线检测黏附力原理75
5.3.3黏附性能的测量结果及分析76
5.4本章小结79
参考文献79
第6章硅表面可控微纳结构制造技术的应用研究81
6.1引言81
6.2自组装掩模的制备及微结构加工81
6.2.1硅表面形成自组装掩模的原理82
6.2.2利用掩模加工微结构83
6.2.3加工结果和讨论83
6.3硅表面固定单链DNA85
6.3.1硅表面固定单链DNA的原理85
6.3.2实验方法86
6.3.3结果和讨论87
6.4硅表面连接碳纳米管89
6.4.1硅表面连接碳纳米管的原理90
6.4.2实验方法90
6.4.3硅表面连接碳纳米管的表征91
6.5本章小结92
参考文献92

前 言 纳 米科技自20世纪80年代末开始迅速发展以来，在信息、材料、生物、微电子、微制造和国家安全等方面显示出越来越重要的应用前景，已成为世界关注的重要科技前沿之一。纳米结构的制备是纳米科技发展的基础。研究成本低廉、使用方便的可控自组装制造技术对于构筑以分子为结构单元的纳米结构或器件具有重要意义。本书提出了一种新的微纳结构制造方法，以机械-化学方法为主要手段，对单晶硅(100)表面制造形状、位置和功能可控的芳香烃自组装微纳结构进行了系统研究。
　　本书共分6章，各章都是环环相扣，前后呼应，联成一体；叙述了纳米技术中微纳结构加工的新方法及其结构的性能、表征、检测和应用等。既有基本原理的阐述，也有国内外近期发展的介绍，以及作者本人研究工作的汇集。书中也对一些科学现象进行挖掘和对基本原理的深入浅出的解释。各章的题目和内容简介如下：第1章绪论，介绍目前纳米科技的发展以及微纳结构制造的国内外现状，提出一种硅表面微纳结构加工的新方法——机械-化学方法；第2章硅表面可控自组装微纳结构的理论研究，主要介绍了用量子化学模拟的方法从理论的角度分析和研究自组装的过程；第3章微加工系统的建立及微加工工艺研究，介绍了利用机械-化学方法进行微纳结构加工的实验系统的建立和工艺研究；第4章硅表面可控自组装微纳结构的实验研究，讲述了该方法的实验过程及实验结构的分析与表征；第5章自组装微纳结构的摩擦与黏附性能研究，介绍一种基于AFM系统改装的摩擦与粘附性能测试的系统，对微纳结构进行性能分析；第6章硅表面可控自组装微纳结构制造的应用研究，阐述了通过机械-化学方法制备的微纳结构的后续应用。
　　本书适合于从事或有兴趣于纳米科技研究或教学的教师、研究生、本科生、科研工作者和工程技术人员阅读。本书得到了中国国家自然科学基金委员会（项目编号51105174）、黑龙江省教育厅、黑龙江省科技厅、佳木斯大学等项目的财力支持，并入选2014年度黑龙江省高校新世纪优秀人才支持计划（1254-NCET-022）在此表示感谢！
　　尽管著者为本书付出了十分的心血和努力，但书中仍然存在一些疏漏和欠妥之处，敬请广大读者批评指正。